鲁达
题目：阿尔伯特爱因斯坦(1879 ~ 1955)德国物理学家因量子论获得诺贝尔物理学奖。
将宇宙凝缩为短短三个字符
我非常喜爱松尾芭蕉。芭蕉已经是三百年前的古人了，他游历日本东北、北陆等地，留下了很多诗句，还写下了游记《奥州小道》，可谓是家喻户晓。
万籁寂静时，蝉声入山岩。
云雾罩峰巅，几度缠绵几度散，明月照青山。
齐集夏时雨，汹汹最上川。
经过了三百年的岁月，他的作品依旧为人们所喜爱。
俳句的韵律是“五七五”，三句皆为奇数，也都是质数。一首共计17个字，这也是一个质数。
质数是除了1和自己以外，不能用别的自然数整除的自然数。芭蕉用质数的韵律将自然完美地用17个文字描绘了出来。他被称作是“俳圣”的原因也正在于此。
而爱因斯坦的理论则可以总结为“G=T”这短短三个字符。G是被称为爱因斯坦张量的空间转动程度的曲率，T指的是物质创造的能量、运动量的张量。
俳句有17个字，方程则有3个字符。
它们都很简短。可以说，这是一种挑战，挑战我们究竟可以用多么简短的语言来表现自然。
我为爱因斯坦着迷的理由
我第一次听说爱因斯坦是在初中的时候。我被爱因斯坦相对论的复杂难懂和简洁的表达迷倒了。
理论本身固然是十分难以理解的，但尚为初中生的我还是能够明白一件事：“这个理论很酷。”同时，我心中还涌起了对爱因斯坦的尊敬和崇拜，他居然能够用公式来表达出宇宙的运转规律。
我总有一天一定能够完全理解这个理论的……我对爱因斯坦的着迷从未停止，正是因为我对他有着强烈的崇拜，我产生了“努力去挑战令人费解的难题吧”的想法。自那以来，爱因斯坦就成为我的偶像。
但于我而言，说起爱因斯坦时不得不提的就是《哆啦A梦》了。没错，就是那位大师——藤子·F·不二雄的知名漫画。
大家可能会觉得很奇怪，但对我来说，爱因斯坦的世界、藤子的世界、哆啦A梦的世界完全是浑然一体的。
我上了高中之后才第一次认真读《哆啦A梦》，不仅惊讶于藤子先生居然能够如此简洁地描绘出物理学的世界。
《哆啦A梦》中很巧妙地融入了爱因斯坦的理论。哆啦A梦总是会认认真真地向大雄讲解22世纪的科学研究，然后会从四次元口袋装中取出品类丰富的道具。
接下来，我将开始讲述爱因斯坦的故事。其中我也会偶尔夹杂《哆啦A梦》来帮助理解。
狭义相对论——时间的膨胀
爱因斯坦于1905年发表了“狭义相对论”，于十年后的1915年到1916年间发表了“广义相对论”。
在先发表的狭义相对论中，爱因斯坦提到光速(真空中的光速是c=299792458米/秒)是不变的。与之相对的是，至今为止人们认为不会改变的时间、质量、长度等并非是绝对不变的。就像橡皮筋能够伸缩一样，时间、质量、长度都是会膨胀、缩短的。
爱因斯坦这样说道：
“把手放在滚热的炉子上一分钟，感觉像过了一小时一样。坐在一个漂亮姑娘身边整整一小时，感觉起来不过刚过了一分钟。”
也就是说，时间是相对的。时间的长短，会因为观察者的感受而产生改变。这就是相对论的本质。
可以用下图所示的公式来表达出这一点。
v是运动中的物体——例如火箭——的速度。c代表光速。
换句话说，这个公式表达的意思是“因为火箭的运动速度，火箭中的时间和地球上的时间会产生不同”。而这一现象被称为“洛伦兹变换”。洛伦兹变换指的是狭义相对论中坐标系之间的变换系统，于1904年被荷兰的理论物理学家亨德里克·洛伦兹(1853～1928)所发现。
假设一个人以99%光速的速度(因为不存在比光更快的物质)乘坐火箭，飞行到了某个星球，并于十年后返回地球。在他回来时，地球上已经经过了约七倍以上的时间，当年送他远航的孩子已经老了70岁了，已经是一位老爷爷了。
这就是所谓的浦岛太郎⁽¹⁾状态。这种情况是真的有可能发生的。本书下页的公式表达的就是这一现象。
同样的情况不仅出现在时间上，在长度和质量上也有可能发生。在相对论中，运动速度越接近光速，时间流逝得也就越慢。
质量也会变化。在相对论中，运动速度越快，质量就越大。
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⁽¹⁾日本古代传说中的人物。浦岛太郎是一名渔夫，因救下海底龙宫中的神龟，被神龟请去龙宫做客，龙王的女儿热情款待了他。临别时，龙女赠给浦岛太邮一个宝匣，告诫称千万不可打开宝匣。浦岛太郎回家后，发现人间已经过去了数十年，自己的亲人、朋友都已逝去。太郎打开宝匣，匣中喷出白烟，使他变成了白发苍苍的老翁。(译者注)
虽说如此，如果以时速5千米的速度慢跑10千米，质量也只不过会增加大约一百亿分之一克，不会为人所察觉。而当速度越发接近光速时，质量的改变也就会越发显著。
而长度则是会变短。
顺带一提，洛伦兹变换在《哆啦A梦》中也出现过。
大雄：“但是呀，为什么只有那个飞行员没有变老呢？”
小夫：“物体的运动速度越接近光速，时间就会流逝得越慢。这是相对论。”
（大雄一脸茫然）
小夫：“也就会是说，火箭里的时间流逝得慢一些。”
大雄：“你骗人……”
小夫：“你疑心可真重。这可是一个叫爱因斯坦的伟大学者说的。”
[日本]藤子·F·不二雄著《龙宫城的八天》
最令我惊讶的是，小夫居然知道高速飞行的火箭中的时间很缓慢这件事。
让我来解释一下小夫的话。其实，想要证明这个理论，需要用到毕达哥拉斯定理。
请看下一页中的图。假设火箭的高度为c/2，那么光在火箭中从下到上传递、触及顶端墙壁之后再回到底端，需要移动的距离就是c/2的两倍，也就是c(因为光速是c，所以特意将火箭高度设为c/2)。
这也就意味着，在火箭没有运动时，光做一次往返运动所需要的时间(是移动的距离c)÷(光速c)，也就是1秒。
那么，接下来假设火箭正处于运动状态。
火箭做横向运动光继续做自下而上、自上而下的运动。假设火箭的速度为v，运动时间为t秒，火箭移动的距离就是“速度×时间”，为 vt。同时，光移动的距离为速度c×t秒，也就是ct。
最重要的是接下来的一点，为了让光的运动轨迹更加便于理解，将光触及顶端开始，到返回底端为止的轨迹向上翻折，就成为一个直角三角形的斜边。
接下来，我们运用毕达哥拉斯定理。ct（光移动的距离）的平方是vt（火箭移动的距离）的平方与c的平方之和。将这个算式整理一下，可以得出下一页的图。
归纳一下可以得出结论，爱因斯坦认为：“如果光速是绝对不变的，那么时间、质量、长度就不再是不变的。”准确地说，从静止坐标系观察的运动坐标系中的时间、质量、长度都不是一定的，而可能会膨胀或收缩。这也是“相对”一词的来源。
由此，爱因斯坦导出了那个著名的公式“E=mc²”。本书中不会讲述这一公式的证明过程，简单而言E代表能量，m是质量，c是光速。这就意味着物体即便静止，也是带有能量的。
这一公式也成为原子弹能被制造出来的起因。原子弹的材料是铀和钚，即便消耗其中连1%都不到的量，就足以引发广岛、长崎的悲剧。因为光速极大，高达约每秒30万千米。
广义相对论——重力与万有引力阐明
爱因斯坦在发表狭义相对论之后，又开始着手研究另外一个难题——重力。牛顿已经发现了万有引力定律(跟距离的二次方成反比，跟质量乘积成正比的力)，迈出了重力研究上的重要一步。
然而，为何重力是一种引力，牛顿也没能弄明白这一点，爱因斯坦想要搞清楚的就是这一点。之后，他在狭义相对论发表十年后的1915年到1916年发表了广义相对论。
简而言之，广义相对论证明“物体周围的时空会发生扭曲”。由此可以预测出宇宙是正在膨胀的，宇宙中存在着黑洞(因具有强大的重力连光都无法逸出的天体，由大质量恒星经过超新星爆发之后生成)。将这一理论表达出来的是如下所示的爱因斯坦场方程。
当时，人们普遍认为在宇宙中所有的物质都消灭之后，时间和空间依旧会存在。但爱因斯坦却认为，在物质消灭之后，时间和空间也会消失，“物质与时间、空间之间存在着不可分割的联系”。公式左侧表现的是空间的扭曲，右侧则是物质的存在。
爱因斯坦场方程中也包含了时间。爱因斯坦还依据广义相对论表达出了宇宙的进化。也就是说，“黑洞”“宇宙大爆炸”(宇宙诞生时发生的大爆炸)的存在也是由爱因斯坦方程预测出来的。它真可谓是揭开了宇宙以及宇宙进化奥秘的方程。
用相对论证明了黑洞的存在
在这里，有请哆啦A梦再次登场。
假设这里有一张方形的布，正面代表宇宙(四维时空连续体)。如果布上没有放置物体，那么四个人分别拉扯布的四个角，可以将布拉扯至完全的平面状态。
这种情况下，试着在布的中心放置一个物品——例如铜锣烧⁽¹⁾。如此一来，布的中心就会向下凹陷。如果将哆
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⁽¹⁾漫画《哆啦A梦》中，哆啦A梦最爱吃的一种点心。(译者注)
啦A梦放置在布的边角，它就会向布的中心滚去。根据爱因斯坦的说明，这就是万有引力。
爱因斯坦的观点是：“物体之间相互吸引，是因为物体周围的时空发生了扭曲，导致另一个物体沿着曲面滑落。”
物体的存在会导致周围时空的扭曲，这就是重力(万有引力)。在我看来，这就像是爱吃铜锣烧的哆啦A梦情不自禁地被铜锣烧所吸引一样。
那么，如果物体变得越来越重的话，会发生什么呢?布会愈加凹陷下去，最终成为黑洞。爱因斯坦通过相对论，揭示了黑洞的存在。
但是，爱因斯坦为了将这一理论表达为上文所示的公式，却费了好大一番功夫。
“在我过去的人生中，从未如此认真地为工作付出大量心血。我对于数学有了崇高的敬意。数学中最为精妙的部分，我过去一直将其视作单纯而奢侈的游戏。与这个问题相比，最初的相对论不过是孩子的游戏罢了。”
爱因斯坦这样说道。
在日常生活中也可以运用
爱因斯坦对“以光速运动的世界看起来是什么样”产生了好奇，由此发现了“狭义相对论”，对“存在重力的宇宙”产生了思考，由此发现了“广义相对论”。
当时，大家都认为相对论是与现实脱节的。
而现在，相对论已经在我们身边的方方面面发挥着作用。例如汽车导航系统，这是一种利用GPS可以确定汽车在地球上的准确位置的便利系统。而GPS中也有着狭义相对论与广义相对论的活跃身影。
地球周边围绕着许多人造卫星。其中有一些GPS卫星正在时刻向地球发送信号。人造卫星绕地球旋转的速度是每秒3.88千米。这样一来，时间就会产生偏差。
为了计算出这一偏差，就需要用到相对论。相对于地面做高速旋转运动的人造卫星，会产生所谓的“浦岛效果”，卫星上的时间会比地上更慢。
首先，按照狭义相对论，人造卫星上的时间相比于地球，只慢了一万亿分之八十三。其次，人造卫星会受到地球重力的作用，因此也必须要考虑到广义相对论的影响。因此，人造卫星上的时间相对于地面上要快一万亿分之五百二十八。两相比较，可以得出人造卫星上的原子钟比地面上的原子钟要快一万亿分之四百四十五。
虽然误差看起来并不大，但是如果无视这一误差的话会发生什么呢?一天有86400秒，它的一万亿分之四百四十五，就是一万分之零点三八五秒。换算成距离的话，一万分之一秒内光可以运动大约30千米，那么定位系统最终显示出的位置将会和实际所处位置产生大约11.5千米的错位。这样的误差，在地面上是绝对无法忽视的。
因此，汽车导航系统会预先计算好这一误差，之后才会显示出正确的位置信息。
为何因为获得诺贝尔奖而失落?
在这里，我想讲讲关于爱因斯坦相对论的证明故事。
1905年到1916年间创立的相对论，对其精确度进行验证的实验直到今天仍在持续着。
1919年英国天文学家亚瑟·爱丁顿(1882~1944)在日全食的实验中发现星星的光芒在太阳附近发生了弯曲。由此，广义相对论的正确性终于获得了承认。爱因斯坦听说后非常高兴。
1921年，爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。但这个奖并不是授予相对论的，而是颁发给1905年发表的量子论(光并非是波而是粒子的理论)。爱因斯坦当时正在驶向日本的船上，听闻这一消息，他非常失望。由此也能够看出，相对论在他心中究竟有多么重要。
如今，激光测距实验在测量太阳与地球之间的距离时，可以将误差控制在1厘米之内，精度是1919年实验的10亿倍以上，爱因斯坦的理论得到了验证。
此外，爱因斯坦还有一个预测，那就是“引力透镜”。所谓引力透镜，就是随着光的扭曲，同一物体出现多重成像效应的现象。就像是爱丁顿实验中的太阳与星星一样，光发生了弯曲，使得物体看起来像是出现在了本不应存在的地点。因为物体实际上并不存在于那一点，因此就像是处于鬼魂状态一般。
引力透镜会因为光经过了不同的轨迹，而呈现弧形，或是产生多重成像。其中的环形光线，被称作“爱因斯坦环”。
1982年，脉冲双星减少的能量，与广义相对论所预测的理论数值之间的误差仅在5%以内。
随着高精密度的观测设备的发展，相对论为在高精度下验证我们所处的宇宙，做出了极大的贡献。
爱因斯坦创立了如今仍旧不断被印证的、完成度极高的理论，这是一个时间与空间的“统一”理论。爱因斯坦的“统一”的梦想，是无穷也无尽的。
与爱因斯坦“相对论”相并列的、被称作20世纪最大发现的是“量子力学”。相对论和量子力学是物理学的两大支柱，但这两大理论却如同水与油一般无法相容。物理学家们的梦想，就是能够发现一个能将这两种理论归纳总结、能够诠释宇宙万物的“终极理论”。
这种理论被称为“统一理论”。我们现在已经确认，宇宙中存在着引力(具有质量的物质之间相互作用的力)、电磁力(电力与磁力统一起来的力)、弱相互作用力与强相互作用力(原子核内部的作用力)这四种不同的力。在宇宙诞生时，这些全都是同一种力，随着时间的流逝慢慢分化为四种力。
20世纪70年代，电磁力和弱相互作用力被统一了，统称为弱电统一理论，又名“规范理论”。之后，弱电相互作用又和强相互作用统一起来，被称为大统一理论，人们现在正在进行研究，希望能够发现将引力涵盖在内的超大统一理论。
所谓的“超弦理论”认为：“所有物质的基本单元，并非是点状粒子，而是线状的。”这被人们认为很有可能成为最终的统一理论。
爱因斯坦的晚年，直到去世之前，他一直专注于进行复杂的计算，希望能够将引力和电磁力统一起来。虽然他最终还是失败了，但他提出了一个问题，那就是我们能够为看起来并不相同的物质找到一个看起来相同的角度吗?
直到今天，在物理学家们心中，也有着这样一个连爱因斯坦也无法实现的“统一”的梦想。
爱因斯坦教会我的事
最后，我想讲讲关于爱因斯坦本人的故事。
在发表相对论的时候，爱因斯坦还是瑞士专利局的一名员工。他并非物理学家，也不是数学家，只是专利局的一名工作人员。
“我很骄傲的一点是，我有着大把大把的空闲时间。”
爱因斯坦这样说道。正是因为身处这样的环境，才能够自由地发散思考，最终发现狭义相对论。
当时，爱因斯坦一家住在德国的伯尔尼⁽¹⁾，和妻子、孩子们过着幸福的生活。如今，世界各地的人们因为仰慕爱因斯坦而纷纷造访此地。这是一个非常美丽的城市，爱因斯坦自己也曾经回忆道：“我在伯尔尼度过了非常美好的日子，那些日子是我最为幸福、成果最为丰硕的时光。”
我手头有一张照片，是数学物理学家保江邦夫教授送给我的。那是一张伯尔尼钟塔的照片。爱因斯坦每天去专利局上班的时候，都会看到这座钟塔。沐浴在阳光下的钟塔……那是一幅光与时间构成的完美图画。这正是他在伯尔尼时的研究内容。
..........................................
⁽¹⁾伯尔尼属于瑞士，为瑞士联邦的政府所在地，并不属于德国。此处应为原文讹误。(译者注)
爱因斯坦究竟思考了什么、看到了什么、怀着怎样的思绪，在26岁时就发现了改变世界的狭义相对论呢……
多少年以来，我都很想搞明白这一点，看到这张相片，我终于懂了。
“想象力比知识更重要。因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切。”
爱因斯坦曾经反复提到这句话。
他还说过这么一句话：“我们什么都不知道。我们所了解的知识和小学生没有什么两样。”
在回顾爱因斯坦的一生时，我最为尊崇的，是他美妙的理论和高尚的人格。爱因斯坦教会我的，是要去珍惜人类所拥有的“想象力”。爱因斯坦仿佛正在对我说：“正因为有着想象力的翅膀，人类才能抵达去不了的地方，看见看不见的东西。而我们每个人都有着这双翅膀。展翅高飞吧!”
大雄在学校考试的时候虽然总是得零分，但只有知识而缺乏想象力的话，知识对于我们而言也是毫无意义的。不要被陈旧的常识与约定俗成所束缚，自由地挥动想象力的翅膀才是最重要的。爱因斯坦自己也证明了这一点。
爱因斯坦也曾说过这样一句话：
“对于科学家而言，所谓的酬劳是亨利·庞加莱所言的‘理解带来的快乐’，而并非是发现被应用的可能性。”
图片说明：
亨利·庞加莱(1854～1912)
在数学、数学物理学、天文力学等领域做出了卓越的贡献，被称为“最后一位全能数学大师”。
我在上初中的时候，一直希望自己能够更加地理解爱因斯坦的理论。等到我终于可以计算出理论中的规则时，我感到了一种喜悦。那就是我感受到“理解带来的快乐”的时刻。
通过物理学，看到了数学这门语言的冰山一角。我开始感受到，数学确实是一场旅行。我想要去看更多未见的风景。想知道自己能看到什么样的风景，想要实际去看一看。踏上计算的旅程之后，能够听到旅人才能听到的旋律、嗅到旅人才能闻到的芳香。这场旅行是没有目的地的。享受旅行本身才是最大的意义。
就像爱因斯坦说的那样，“科学本身就是一种喜悦”。将科学运用到实际中去是另外一回事。学习科学、数学、物理学——教会我享受其中乐趣的，正是爱因斯坦。
爱因斯坦继续说：
“这个世界最难以理解的部分，就是去理解这个世界。“
“好奇心之所以存在，是有其理由的。永恒、人生、切实存在的神奇构造等神秘的存在，如果仔细去思考的话，一定会不由自主地产生敬畏。我们只要能够每天都多了解一些世间的神秘就足够了。”
确实，我们生活在这个宇宙中。在我们意识到的时候，就已经存在着了。我们存在于这个宇宙——这件事本身就已经足够神秘，这是科学教会我的。
人类如今还未掌握能够解释宇宙起源的方程。即便如此，我们也在朝着这一梦想前进，不断打开一扇又一扇神秘的大门，实现爱因斯坦未竟梦想的时刻终会到来！
作者：樱井进
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本章完